Mikrokontrolery

Gdy bity SM2...0 zostaną ustawione w stan 000, to instrukcja SLEEP wprowadza mikrokontroler w tryb bezczynności (ang. Idle Mode), zatrzymując mikroprocesor lecz pozwalając dalej pracować modułowi SPI, USART, komparatorowi analogowemu, przetwornikowi A/C, 2-przewodowemu interfejsowi szeregowemu, timerom/licznikom, licznikowi zegarowemu oraz systemowi przerwań. Ten tryb uśpienia głównie zatrzymuje zegary clk_CPU i clk_FLASH, natomiast pozwala pracować pozostałym zegarom.

Tryb bezczynności pozwala mikrokontrolerowi wybudzić się przy przerwaniach wyzwalanych zarówno zewnętrznie jak i wewnętrznie, jak przerwania od nadmiarów timerów i przy zakończeniu transmisji USART. Jeśli wybudzenie z przerwania komparatora analogowego nie jest wymagane, komparator może zostać wyłączony przez ustawienie bitu ACD (ang. Analog Comparator Down) w rejestrze ACSR (ang. Analog Comparator Control and Status Register – Rejestr Stanu i Sterowania Komparatorem Analogowym). Zmniejszy to pobór energii w trybie bezczynności. Jeśli przetwornik A/C (ang. Analog to Digital Converter, ADC) jest uaktywniony, to konwersja rozpoczyna się natychmiast, gdy mikrokontroler wejdzie w ten tryb uśpienia.

Gdy w bitach SM2...0 zostanie umieszczona wartość dwójkowa 001, to instrukcja SLEEP wprowadzi mikrokontroler w tryb zmniejszania zakłóceń dla przetwornika A/C (ang. ADC Noise Reduction Mode), zatrzymując mikroprocesor, lecz zezwalając na pracę przetwornika A/C, zewnętrznym przerwaniom, modułowi śledzenia adresu 2-przewodowego interfejsu szeregowego, timerowi/licznikowi 2 i licznikowi zegarowemu (jeśli jest uaktywniony). Ten tryb uśpienia zatrzymuje zegary clk_I/O, clk_CPU i clk_FLASH, natomiast pozostałe zegary pracują normalnie.

Obniża to poziom zakłóceń od sieci logicznej, co poprawia precyzję przetwarzania w przetworniku A/C, umożliwiając pomiary z większą rozdzielczością. Jeśli przetwornik A/C jest uaktywniony, to konwersja rozpocznie się automatycznie przy wejściu w ten tryb uśpienia. Oprócz przerwania przy zakończeniu przetwarzania w przetworniku A/C mikrokontroler może być wybudzony z trybu zmniejszania zakłóceń tylko przez zewnętrzny reset, reset od licznika zegarowego, reset przy spadku napięcia zasilania, przerwanie od zgodności adresu 2-przewodowego interfejsu szeregowego,  przerwanie z timera/licznika 0, przerwanie od gotowości SPM/EEPROM, przerwanie zewnętrzne od poziomu na wejściach NT7:4 lub przerwanie zewnętrzne na wejściach INT3:0.

Gdy w bitach SM2:0 umieści się wartość dwójkową 010, to instrukcja SLEEP wprowadzi mikrokontroler w tryb wyłączenia zasilania (ang. Power-down Mode). W tym trybie zatrzymywany jest oscylator zewnętrzny, podczas gdy działają przerwania zewnętrzne, obserwowanie adresu 2-przewodowego interfejsu szeregowego oraz licznik zegarowy (jeśli są uaktywnione). Mikrokontroler może zostać wybudzony jedynie przez zewnętrzny reset, reset z licznika zegarowego, zgodność adresu 2-przewodowego interfejsu szeregowego oraz przerwanie zewnętrzne od poziomu na końcówce INT0/IN1. Ten tryb uśpienia zatrzymuje wszystkie generowane zegary, zezwalając na pracę tylko modułom asynchronicznym.

Zapamiętaj, iż jeśli do wybudzania z trybu wyłączenia używane jest przerwanie wyzwalane poziomem, to zmieniony poziom musi się utrzymywać przez pewien czas, aby wybudzić mikrokontroler. Zobacz do rozdziału "8-bitowy timer/licznik 0 z PWM i z pracą asynchroniczną".

Przy wybudzaniu z trybu wyłączenia istnieje pewne opóźnienie od czasu wystąpienia warunku wybudzenia do jego aktywacji. Pozwala to zegarowi uruchomić się ponownie i ustabilizować po wcześniejszym zatrzymaniu. Okres wybudzania definiują te same bity bezpiecznikowe CKSEL, które definiują okres upływu czasu resetu, co opisano w podrozdziale "Źródła zegarowe".

Gdy bity SM2...0 zostaną zapisane wartością 011, instrukcja SLEEP wprowadzi mikrokontroler w tryb oszczędzania energii (ang. Power-save Mode). Tryb ten jest identyczny z trybem wyłączenia z jednym wyjątkiem:

Jeśli timer/licznik 2 jest taktowany asynchronicznie, tj. jest ustawiony bit AS2 bit rejestrze ASSR, to timer/licznik 2 będzie pracował podczas uśpienia. Mikrokontroler może wybudzić się albo przy przepełnieniu timera, albo przy zdarzeniu Output Compare z timera/licznika 2, jeśli odpowiednie bity uaktywnienia przerwania z timera/licznika 2 zostały ustawione w rejestrze TIMSK oraz ustawiony jest bit globalnego włączania przerwań I w rejestrze stanu SREG.

Jeśli asynchroniczny timer NIE jest taktowany asynchronicznie, zaleca się tryb wyłączenia zasilania zamiast trybu oszczędzania energii, ponieważ zawartość rejestrów w asynchronicznym timerze powinna być traktowana jako niezdefiniowana po wybudzeniu z trybu oszczędzania energii, jeśli AS2 ma stan 0.

Ten tryb uśpienia zasadniczo zatrzymuje wszystkie zegary z wyjątkiem clk_ASY, pozwalając na pracę jedynie modułom asynchronicznym, łącznie z timerem/licznikiem 2, jeśli jest on taktowany asynchronicznie.

Gdy bity SM2:0 mają wartość 110 i została wybrana opcja zegarowa zewnętrznego kryształu kwarcu/rezonatora, to instrukcja SLEEP wprowadzi mikrokontroler w tryb gotowości (ang. Standby Mode). Tryb ten jest identyczny z trybem wyłączenia zasilania z tym wyjątkiem, iż oscylator pracuje. Z trybu gotowości mikrokontroler wybudza się w ciągu do sześciu taktów zegara.

Gdy bity SM2:0 zostaną ustawione w stan 111 oraz będzie wybrana opcja zegarowa zewnętrznego kwarcu/rezonatora, to instrukcja SLEEP wprowadzi mikrokontroler w rozszerzony tryb gotowości (ang. Extended Standby Mode). Tryb ten jest identyczny z trybem oszczędzania energii z wyjątkiem pozostawienia oscylatora w stanie pracy. Z rozszerzonego trybu pracy mikrokontroler wybudza się w sześciu taktach zegara.

Istnieje kilka zagadnień do rozważenia przy próbach minimalizowania poboru prądu w systemie zarządzanym przez mikrokontroler AVR. Ogólnie należy stosować tryby uśpienia tak często, jak jest to możliwe, co powoduje wyłączanie niepotrzebnych modułów we/wy. Wszystkie zbędne funkcje powinny być wyłączane. W szczególności dotyczy to poniższych modułów:

Przetwornik analogowo/cyfrowy

Jeśli jest uaktywniony, przetwornik A/C będzie pracował w trybach uśpienia. Aby zaoszczędzić energię, należy go wyłączyć przed wejściem w dowolny tryb uśpienia. Gdy przetwornik A/C został wyłączony i włączony ponownie, to następna konwersja będzie konwersją rozszerzoną. Działanie przetwornika jest opisane w rozdziale "Przetwornik analogowo/cyfrowy".

Komparator analogowy

Przy wejściu w tryb bezczynności (ang. Idle mode), komparator analogowy powinien zostać wyłączony, jeśli się z niego nie korzysta. Przy wejściu w tryb zmniejszania zakłóceń dla przetwornika A/C (ang. ADC Noise Reduction mode), komparator powinien zawsze być wyłączany. W pozostałych trybach uśpienia komparator analogowy jest wyłączany automatycznie. Jednakże, jeśli komparator analogowy został ustawiony na wykorzystywanie jako wejścia wewnętrznego napięcia odniesienia, to należy go wyłączać we wszystkich trybach uśpienia. W przeciwnym razie układ wewnętrznego napięcia odniesienia będzie uaktywniony bez względu na tryb uśpienia. Opis ustawień znajdziesz w rozdziale "Komparator analogowy".

Detektor spadku napięcia zasilania

Jeśli w aplikacji nie jest potrzebny moduł wykrywania spadku napięcia zasilającego (ang. Brown-out Detector), to można go wyłączyć. Jeśli moduł BOD jest uaktywniony przez bit bezpiecznikowy BODEN, to będzie on aktywny we wszystkich trybach uśpienia, a stąd zawsze będzie pobierał prąd. W głębszych trybach uśpienia będzie się to znacząco przyczyniać do całkowitego poboru energii przez mikrokontroler. Szczegóły konfiguracji modułu BOD znajdziesz w podrozdziale "Wykrywanie spadku napięcia".

Wewnętrzne napięcie odniesienia

Moduł wewnętrznego napięcia odniesienia zostanie uaktywniony w razie wykorzystywania przez detektor spadku napięcia zasilającego, komparator analogowy lub przetwornik A/C. Jeśli moduły te zostały wyłączone, jak opisano powyżej, to układ wewnętrznego napięcia odniesienia będzie wyłączony i nie będzie zużywał energii. Gdy zostanie ponownie włączony, program użytkownika musi odczekać pewien czas, zanim będzie mógł z niego skorzystać. Jeśli układ ten pracuje w trybie uśpienia, to z jego wyjścia można skorzystać natychmiast po wybudzeniu. Czasy uruchamiania są opisane w rozdziale "Wewnętrzne napięcie odniesienia".

Licznik zegarowy

Jeśli timer licznika zegarowego (ang. Watchdog Timer) nie jest potrzebny w aplikacji, to moduł ten powinien zostać wyłączony. Jeśli licznik zegarowy jest włączony, to będzie pracował we wszystkich trybach uśpienia i zawsze będzie zużywał energię.  W głębszych trybach uśpienia będzie się to znacząco przyczyniać do całkowitego poboru energii przez mikrokontroler. Szczegóły konfiguracji licznika zegarowego znajdziesz w rozdziale "Timer licznika zegarowego".

Końcówki portu

Przy wejściu w tryb uśpienia wszystkie końcówki portu powinny być tak skonfigurowane, aby zużywać minimalną energię. Najważniejszą rzeczą będzie zapewnienie, iż żadna z końcówek nie zasila obciążenia oporowego. W trybach uśpienia z wyłączonymi oboma zegarami we/wy (clk_I/O) oraz przetwornika A/C (clk_ADC) bufory wejściowe mikrokontrolera są wyłączone. Zapewnia to, iż nie jest zużywana energia przez układy logiczne wejść, gdy nie są one potrzebne. W niektórych przypadkach układy te są potrzebne do wykrywania warunków wybudzenia, a wtedy będą włączone. Jeśli bufor wejścia jest włączony, a sygnał wejściowy zmienia się lub sygnał analogowy posiada poziom bliski Vcc/2, to bufor wejścia będzie zużywał nadmierną energię. Przy końcówkach analogowych cyfrowe bufory wejścia powinny zawsze być wyłączane. Zobacz do rozdziału "Porty we/wy".

Interfejs JTAG i wewnętrzny system debugowania

Jeśli został uaktywniony wewnętrzny system debugowania przez bit bezpiecznikowy OCDEN, a układ wszedł w tryb uśpienia wyłączenia zasilania lub oszczędzania energii, to główne źródło zegarowe pozostaje włączone. W tych trybach przyczyni się to znacząco do całkowitego poboru prądu. Można tego uniknąć na trzy alternatywne sposoby:

• Wyłączenie bitu bezpiecznikowego OCDEN.
• Wyłączenie bitu bezpiecznikowego JTAGEN.
• Wpisanie jedynki do bitu JTD w rejestrze MCUCSR.

Końcówka TDO pozostaje w stanie niepodłączonym, gdy włączony jest interfejs JTAG, a kontroler JTAG TAP nie przesuwa danych. Jeśli układ sprzętowy połączony z końcówką TDO nie podciągnie w górę poziomu logicznego, to pobór prądu zwiększy się. Zauważ, iż końcówka TDI dla następnego układu w łańcuchu skanowania zawiera opornik podciągający, który eliminuje ten problem. Zapis jedynką bitu JTD w rejestrze MCUCSR lub pozostawienie w stanie niezaprogramowanym bitu bezpiecznikowego JTAGEN wyłączy interfejs JTAG.

MCUCR – MCU Control Register – Rejestr sterowania mikrokontrolerem

Rejestr ten zawiera bity sterujące zarządzaniem poborem energii.

Bit 5 – SE: Sleep Enable – Uaktywnienie uśpienia

Bit SE musi być zapisany logiczną jedynką, aby mikrokontroler wszedł w tryb uśpienia, gdy wykona instrukcję SLEEP. Aby uniknąć wejścia w uśpienie, jeśli nie jest to intencją programisty, zaleca się ustawienie bitu SE tuż przed wykonaniem instrukcji SLEEP i natychmiastowe wyzerowanie go po wybudzeniu.

Bity [4:2] – SM2..0: Sleep Mode Select Bits 2, 1, and 0 – Bity wyboru trybu uśpienia

Bity te wybierają jeden z sześciu dostępnych trybów uśpienia według tabelki poniżej.